摘 要： 為了挖掘和開發(fā)RFID系統(tǒng)的有效資源，構(gòu)造更完善的RFID解決方案，提高RFID系統(tǒng)控制的高效性和可靠性是實(shí)際應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。使用基于模糊技術(shù)的自調(diào)節(jié)讀取距離的RFID設(shè)計(jì)方案，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中設(shè)備的讀寫距離不能滿足設(shè)定區(qū)間、無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)的缺陷,構(gòu)造一個(gè)面向服務(wù)的RFID中間件架構(gòu)，使系統(tǒng)在通用性、高效性和智能性方面得以提升。
關(guān)鍵詞： 自調(diào)節(jié)；RFID；中間件；模糊技術(shù)
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射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。近年來(lái)RFID技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、供應(yīng)鏈管理、車輛收費(fèi)管理和移動(dòng)商務(wù)等行業(yè)領(lǐng)域[1]。尤其在物流應(yīng)用中，智能移動(dòng)設(shè)備可以隨時(shí)隨地讀取商品和廣告牌中嵌入的電子標(biāo)簽，讀取并解析其中的數(shù)據(jù)，通過Web服務(wù)器查找信息，實(shí)現(xiàn)在線操作。
1 自調(diào)節(jié)器原理框架
目前智能移動(dòng)設(shè)備中設(shè)計(jì)的多數(shù)讀寫器只有一個(gè)大致的讀寫區(qū)間，而不是一個(gè)準(zhǔn)確的讀寫距離[2]。這使得在應(yīng)用時(shí)無(wú)法確定其正確的應(yīng)用場(chǎng)合，并且當(dāng)發(fā)現(xiàn)讀寫距離不能滿足要求時(shí)，必須手動(dòng)更改，這給應(yīng)用帶來(lái)諸多不便。為此在嵌入式設(shè)備上設(shè)計(jì)了一個(gè)基于模糊技術(shù)的智能自調(diào)節(jié)中間件系統(tǒng)。
自調(diào)節(jié)讀取距離的讀寫器工作如下：首先由用戶在讀寫器提供的顯示器界面上輸入要讀取的距離。該距離值送給距離調(diào)節(jié)控制體，距離調(diào)節(jié)控制體根據(jù)輸入距離自動(dòng)調(diào)節(jié)讀寫器的發(fā)射功率，讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送相應(yīng)頻率的射頻信號(hào)。當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻標(biāo)簽獲得能量后將自身編碼等信息通過標(biāo)簽內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線接收到從射頻標(biāo)簽發(fā)來(lái)的載波信號(hào)傳送到讀寫器，讀寫器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理[3]。由輸入電路、距離調(diào)節(jié)控制體、執(zhí)行器組成的原理框圖如圖1所示。
距離調(diào)節(jié)控制體系包括可調(diào)衰減器、衰減器轉(zhuǎn)角位置傳感器、模糊控制模塊三部分，它們被封裝為一體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一個(gè)直流電機(jī)和相關(guān)的傳動(dòng)部件組成。輸入電路用來(lái)輸入讀寫器的閱讀距離，距離調(diào)節(jié)控制體有正反兩個(gè)位置傳感器作為控制可調(diào)衰減器轉(zhuǎn)度的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)點(diǎn)，通過衰減器內(nèi)部的一對(duì)高精度電位器獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)度下相應(yīng)的電壓反饋值。該反饋值與可調(diào)衰減器轉(zhuǎn)過的角度成線性變化。執(zhí)行器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用MSP430單片機(jī)、UC3717A芯片完成程序控制調(diào)節(jié)控制算法，通過機(jī)械傳動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)衰減器的旋轉(zhuǎn)按鈕，如圖2所示。
自動(dòng)調(diào)節(jié)讀取距離的讀寫器，使用了S3C44BOX-ARM7芯片，其操作系統(tǒng)內(nèi)核小、資源占用少、可靠性高；具有多串口和網(wǎng)口，訪問方便。在這樣一個(gè)閉環(huán)控制過程中，將用戶需要讀取的距離作為讀寫器輸入，經(jīng)過鍵盤電路轉(zhuǎn)化后發(fā)送到模糊控制器。同樣，衰減器轉(zhuǎn)角的位置傳感器作為反饋信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送到模糊控制器。兩個(gè)信號(hào)在模糊控制器中進(jìn)行比較，并且用模糊控制器裝載模糊規(guī)律進(jìn)行模糊推理，推理結(jié)果發(fā)送到自調(diào)節(jié)控制節(jié)點(diǎn)和模糊控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由該節(jié)點(diǎn)的MSP430處理后產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片UC3717A，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)至電機(jī)。
2 中間件設(shè)計(jì)參數(shù)
射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫距離是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。影響射頻標(biāo)簽讀寫距離的因素包括天線工作頻率、讀寫器的輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、射頻標(biāo)簽的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、讀寫器和射頻標(biāo)簽的耦合度，以及射頻標(biāo)簽本身獲得的能量及發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度等。
在868 MHz、915 MHz、2.45 GHz或者更高頻率的系統(tǒng)中，可采用反向散射調(diào)制系統(tǒng)，利用電磁反射完成從電子標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸[4]。天線的有效輻射功率為PEIRT，其計(jì)算公式：
其中，PTX為讀寫器的發(fā)射功率，GTX為讀寫器發(fā)射天線的增益。
在距離讀寫器R處的電子標(biāo)簽功率密度S為：
R是電子標(biāo)簽和讀寫器之間的距離。在電子標(biāo)簽和發(fā)射天線最佳對(duì)準(zhǔn)和正確極化時(shí)，電子標(biāo)簽可吸收的最大功率與入射波的功率密度S成正比，即：
其中，GTag為電子標(biāo)簽接收無(wú)線增益，λ為波長(zhǎng)。電子標(biāo)簽到讀寫器的能量傳輸中，電子標(biāo)簽返回的能量與其雷達(dá)散射截面σ成正比，該比值是目標(biāo)反射電磁波能力的測(cè)量。散射面取決于一系列的參數(shù)[6]，例如目標(biāo)的大小、形狀、材料、表面結(jié)構(gòu)、波長(zhǎng)和極化方向等。電子標(biāo)簽的返回發(fā)射功率為PBack，其計(jì)算公式為：
??? 
??? 其中
，U0為電子標(biāo)簽天線中感應(yīng)出的電壓，Rr為電子標(biāo)簽中天線的輻射電阻。反射的電磁波以球形方式向空間輻射，其輻射功率與輻射源(反射)距離的平方(R2)成正比，最終反射到讀寫器天線的輻射功率密度，即電子標(biāo)簽返回讀寫器的功率密度為：
??? 
??? 將式(4)代入式(5)中得：
??? 
??? 由式(3)得知電子標(biāo)簽的有效面積Ae與其增益GTag成正比。對(duì)大多數(shù)的天線構(gòu)造形式來(lái)說，由于其增益為已知[5]，所以有效面積Ae及其橫截面S在通過天線的阻抗SA 和終端阻抗ZT相等的情況下，有效面積為：
??? 
??? 接收功率為：
??? 
由式(8)得知，如果以接收的電子標(biāo)簽反射能量為標(biāo)準(zhǔn)，則反向散射的射頻識(shí)別系統(tǒng)的作用距離與讀寫器發(fā)射功率的四次方根成正比。即如果想要使電子標(biāo)簽發(fā)射到讀寫器的輻射功率增加1倍，也即距離增加1倍，則必須使發(fā)射功率在其他條件不變的情況下增加16倍。因此，由上述推算得出，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射功率的方式來(lái)精確定位讀寫器的閱讀距離。而對(duì)于發(fā)射功率的調(diào)節(jié)，只需對(duì)衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)。但上述推導(dǎo)過程的計(jì)算比較復(fù)雜，不利于調(diào)節(jié)控制。
3 精確數(shù)學(xué)模型控制問題的解決方案
近年來(lái)，模糊控制已逐漸發(fā)展成為一門成熟的技術(shù)。人們將模糊理論應(yīng)用于工業(yè)過程控制、醫(yī)學(xué)、地震預(yù)報(bào)、工程設(shè)計(jì)、信息處理以及經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域。模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為工具，將善于處理模糊概念的人腦思維方法體現(xiàn)出來(lái)，并做出正確判斷[7]。模糊控制最適宜用于難以用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)的控制系統(tǒng)，因此可利用模糊數(shù)學(xué)的方法解決上述問題。
首先對(duì)讀寫器的閱讀距離進(jìn)行模糊劃分和定義，取模擬量Ai，令模糊集D={A1，A2，…}；其次對(duì)衰減器轉(zhuǎn)過的角度進(jìn)行模糊劃分和定義，取模擬量Bi，令模糊集α={B1，B2，…}，建立模糊推理規(guī)則if(D=Ai) then (α=Bi)，i=1，2，…。通過上述模糊推理規(guī)則，可以計(jì)算得出衰減器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的模擬量，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)距離的目的。
例如把衰減器轉(zhuǎn)過的角度和讀寫器能閱讀到的距離作一個(gè)模糊劃分：0°～15°表示距離為15 m，15°～30°表示距離為30 m，30°～50°表示距離為50 m，50°～80°表示距離為80 m，80°～100°表示距離為100 m。衰減器轉(zhuǎn)角偏差eθ，衰減器轉(zhuǎn)角偏差變化率Δeθ和控制角α分成5個(gè)模糊量。eθ、Δeθ、α={NS(減小)，PS(稍減小)，Z(正好)，PB(稍增大)，NB(增大)}。距離遞增時(shí)，衰減器在順時(shí)針方向角度增大；距離遞減時(shí)，衰減器在逆時(shí)針方向角度減小。表1參數(shù)所示為距離遞增的模糊推理規(guī)則。
由于單片機(jī)控制程序中寫入了模糊調(diào)節(jié)算法，因此其成本降低，易于修改。而此前設(shè)計(jì)的系統(tǒng)沒有模糊控制模塊，盡管框架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但實(shí)際使用只能在某一固定區(qū)域內(nèi)讀取標(biāo)簽，用戶不能任意調(diào)節(jié)和改變。如果要增大閱讀距離，則需重新設(shè)計(jì)，這增加了開發(fā)周期，加大了開發(fā)成本。加入模糊控制，不僅可以方便用戶根據(jù)自己的應(yīng)用要求輸入距離值，由讀寫器的自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊調(diào)整距離，而且有效縮短了開發(fā)周期并節(jié)約了成本。模糊控制模塊大大提高了讀寫器的智能性和高效性，從而提升了RFID在各領(lǐng)域的實(shí)施應(yīng)用功能。
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